基于隔水关键层原理的断层突水机理分析.pdf

第 2 6卷 第 1 期 2 0 0 9年 O 3月 采 矿 与安全 工程 学报 J o u r n a l o f Mi n i n g S a f e t y En g i n e e r i n g VoI ．26 No．1 M a r c h 20 09 文 章 编 号 1 6 7 3 - 3 3 6 3 2 0 0 9 0 1 0 0 8 7 0 4 基于隔水关键层原理的断层突水机理分析 李 青锋 ，王卫军 ，朱川 1曲，彭文庆 ● 湖南 科技大学 煤矿安全开采技术湖南省重点实验室 ， 能源与安全工程学 院，湖南 湘潭4 1 1 2 0 1 摘 要 因煤矿 突水 中大部 分 突水是 与 断层 破 裂 带有 关 ， 应 用 隔 水 关键 层 原 理 分析 断层 突水机 理 是非常有必要的． 首先根据断层的形成机理及其位置分析 了断层突水的原 因， 探讨 了煤层断层的 突水条件 ； 然后 基 于隔 水关键 层原 理 建立 了含 隔水 断层 的 隔水关键 层 活化 力 学模 型 ， 理论 解析 了 隔水 断层在 矿 压和 水压作 用 下的 断层 活化 滑移条 件 ， 最后 分析 了顶 、 底板 隔水 断层 的断层 活化 突 水机理 ， 得 出 了在 矿 压和 水压 共 同作 用下 的断层 采动 活化 突水 条件 ． 关键词 隔水 关键 层 ；煤层 断层 ；断层 活化 ；突水机 理 中图分 类号 TD 7 4 5 文献标 识码 A An a l y s i s o f Fa ul t W a t e r I n r u s h M e c h a n i s m Ba s e d o n t he Pr i nc i p l e o f W a t e r Re s i s t a n t Ke y St r a t a LI ’ Qi n g f e n g，WANG We i j u n，ZHU Ch u a n q u，PENG We n q i n g Hu n a n Ke y La b o r a t o r y o f S a f e M i n i n g Te c h n i q u e s o f C o a l M i n e s ，S c h o o l o f En e r g y a n d S a f e t y En g i n e e r i n g，Hu n a n Un i v e r s i t y o f S c i e n c e a n d Te c h n o l o g y，Xi a n g t a n，Hu n a n 4 1 1 2 0 1，Ch i n a Abs t r a c t Be c au s e mo s t o f t he wa t e r i n r u s h e s i n c oa 1 m i ne a r e r e l a t e d t o t he f a u l t e d z o ne，i t i S v e r y n e c e s s a r y f o r US t o a n a l y z e f a u l t wa t e r i nr us h m e c ha ni s m ba s e d o n t he pr i nc i pl e o f wa t e r 。 r e s i s t i n g ke y s t r a t a ．Fi r s t o f a l l ，a c c or di ng t o t he f a ul t f or ma t i on m e c h an i s m a n d t h e f a ul t p os i t i on，we a n a l y z e d r e a s o n o f t h e f a ul t wa t e r i n r u s h i ng a nd di s c u s s e d wa t e r i nr us h c o nd i t i o n o f t he c o a l s e a m．The n，ba s e d o n t h e p r i n c i pl e o f wa t e r _ r e s i s t i n g k e y s t r a t a，t he m e c ha ni c a l mod e l o f f a u l t a c t i v a t i n g i s e s t a b l i s h e d f o r t h e wa t e r r e s i s t a n t k e y s t r a t a wi t h wa t e r r e s i s t i n g f a u l t ； t he s l i p a c t i v a t i on c o nd i t i o ns o f wa t e r ～ r e s i s t i ng f a u l t a r e a l s o a n a l y z e d． Fi n a l l y，t he wa t e r i n r u s h c o nd i t i o n o f f a ul t a c t i va t i o n a f t e r c o a l e x t r a c t i on i s s u m ma r i z e d t hr o ug h a na l yz i n g wa t e r i n r us h me c ha ni s m． Ke y wo r ds wa t e r r e s i s t a nt ke y s t r a t a；c oa l s e a m f a u l t s；f a ul t a c t i v a t i o n；wa t e r i nr us h m e c ha ni s m 随着 煤矿 生产 规模 的不 断扩 大 ， 煤 矿水 害 已成 为制约煤矿安全生产 的重要问题． 由于断裂构造带 内裂隙比较发育 ， 岩体破碎 ， 给承压水 的导升和断 裂带 的开裂 制 造 了空 间 ， 在 煤 矿 突 水 中 7 5 的 突 水是 与断裂 构造 带 有 关 ． 针 对 断 层 突 水 机 理 ， 许 多 学 者对 此进 行 了较为 广泛 的研 究 ， 采 用 的主要 方法 有 岩体断裂损伤理论L 1 ] ， 矿山压力理论_ 3 ] ， 渗流一 损伤耦合理论 ] ， 相似模拟口 ] ， 数值模拟[ 3 等． 隔 水 关 键层是 保 水 开采 与 突 水 灾 害 防 治基 础 理 论 研 究 中的矿压力学模型， 该力学模型对于煤矿突水机 理及其防治技术研究具有极其重要 的指导意义． 因 此 ， 本文应用隔水关键层原理对含断层顶、 底板的 阻 隔水 性能进 行 分析 ． 收稿 日期 2 0 0 8一O 4～1 3 基金项 目国家重点基础研究发展计划 2 0 O 7 c B 2 O 9 4 0 0 ； 国家 自然科学基 金重点项 目 5 0 6 3 4 0 5 0 作者简介 李青锋 1 9 7 0 一 ， 男 ， 湖南省新宁市人 ， 博士 ， 从事采矿工程 、 工程检测等方面的研究． E - ma i l l i q i n g f e n g 0 7 1 2 1 6 3 ． c o rn T e l 1 3 8 7 5 2 0 9 3 5 9 8 8 采矿与安全工程学报 第 2 6 卷 1 隔水关键层原理 一 般 突水 工 作 面 到水 源之 间 会被 若 干 层岩 层 所阻隔 ， 而各岩层由于其分层特性和所处采动岩体 中的位置 不 同 ， 其 隔 水 性 能是 不 同的 ， 水 最 终需 要 穿 透 的那 部分 岩层 或 最 终 被 阻 隔住 的岩层 被称 为 隔水关 键 层 l_ 5 ] ． 隔水 关 键 层 具 有 3层 含 意 其 1 ， 水 源与 工作 面之 间有 明显 的较 厚软 弱 隔水 层 例如 厚 表土层 ， 则 不 易形 成 突水 灾 害 ； 其 2 ， 假 设 煤 层 上 部含水 层在 结构 关键层 的上方 ， 或 煤层 下部 含水 层 在结构 关键 层 的下方 ， 如果 结构关 键层 采动 后不 破 断 ， 则 结构 关键 层 可 起 到 隔水 作 用 ， 同时 就是 隔 水 关键层 ； 其 3 ， 如 果 结构 关 键 层 采 动 后 会 发 生 破 断， 但破断裂隙被软弱岩层所充填 ， 裂隙被弥合 ， 不 形成渗流突水通道 ， 则结构关键层与软弱岩层组合 形成复合 隔水关键层． 水要突破隔水关键层有 2条 途 径 ， 即天然 构 造 通 道 和 采 动裂 隙贯 通 ， 无论 那 1 条 通道 被贯 通或 2条通 道被 同时贯 通 ， 突水通 道也 即形成 ． 隔水关键层是保水开采与突水灾害防治基础 理 论研究 中的矿压 力学模 型 ， 隔水关 键层 既 区别于 岩层控 制 的结 构 关 键层 ， 但 也 有 内在联 系 ， 隔水 关 键 层有 3层 含义 ， 即软 弱层 岩 性 隔水 、 坚 硬 岩层 结 构 隔水 和裂 隙通道 弥合 隔水 ． 2 断层 突水 力学模型及 其理论分析 2 ． 1 煤 层 断层及 其 隔水性 能分析 众 所周 知 ， 矿 井地质 构造 是影 响煤矿 建设 和生 产的各种地质因素中最重要的因素之一． 地质构造 包 括褶 皱 、 断层 和节 理． 地 质 构 造按 其 规 模 和对 生 产 的影 响程 度可分 为 大 、 中、 小 3 种 类 型． 大 型构造 是 指决定 整个 井 田总体 形 态 和 井 田边 界 的 大 型褶 曲 、 大 型断裂 等 ， 它们一 般在 勘探 阶段 即 以查 明 ， 在 矿 井设计 中就 留设 了足 够 的防水煤 柱 ， 一般难 以突 水 ． 中型构造 是指 在井 田范 围 内影 响采 区划分 和巷 道 布署 的次 一级褶 曲或 断层 ， 它们 对煤 矿生产 影 响 极大 ， 在采区准备 、 工作面回采之前就已查明， 一般 在 采 区设 计 中作 为 采 区边 界 并 留设 防水 煤 柱来 防 止 突水 ． 小 型构造 是指那 些 在单个 巷道 或工作 面 中 比较容 易查 明全貌 的更 次一 级 的褶 曲 和断层 ， 它们 的出现也 会 给采掘 工作 增加 困难 ， 并在采 动支 承压 力作用下容易引发突水． 统计表明， 有约 8 O ％的煤 与瓦斯突出和矿井 突水淹井事故是 由小断层引起 的- 7 ] ， 本文重点对小断层 落差小于 5 ． 0 m 或略大 于煤层厚度的断层 的突水机理进行研究． 对于小断层这种煤层结构[ 8 ] ， 其仅出现于煤层 尤其是厚煤层、 中厚煤层 、 顶板或底板内， 是平面 分 布不 大 、 垂 向距 离 有 限 的小 型 地 质构 造 ， 煤 层 中 各岩层对小断层的影响， 越靠近煤层， 其影响越明 显 ， 越远 离煤 层 则 影 响 越 小 ， 一 般 超 过 5 0 m 后 其 影响可以忽略． 因此， 根据断层与采场的关系 ， 可将 断层分为两种情况 1是切穿煤层的断层， 2是埋藏 型断层 ． 在 非采动 条件 下 ， 断 层是 否具 有隔水性 能关 键 要 看断 层带是 否 能够成 为充水 通道 ， 这 主要 取决 于 断层带 断裂 面力 学性 质 ． 根 据 断 层 的形 成 机 理 ， 断 裂 面可 分 为压 性 断裂 面 、 张 性 断裂 面 和 扭 性 断 裂 面． 对 于压性 断裂 面 ， 由于 压 性 断裂 面 所 受 的压 应 力最大 ， 因此其结构面内的破碎充填物多为角砾岩 和糜棱岩， 同时断裂面本身也非常紧密， 故其突水 性较差 ， 且相对地起隔水作用 ； 对于张性断裂面， 张 性 断裂 面是 由拉 伸 作用 力 产 生 的 ， 张裂 程 度 大 ， 断 裂面的充填物多为尖角状或棱角状大小不等 的角 砾 岩 ， 孔 隙 多 、 孔 隙度大 ， 而且 断裂 面两侧 常伴 生有 低序次的断裂面 ， 为地下水 的运移创造 了条件 ， 从 而相对 地起 导水 作 用 ； 对 于扭 性 断 裂 面 ， 是 由剪 切 作 用力 产生 的 ， 结 构 面 内有 糜 棱 岩 ， 两 侧 有规 律 地 排 列着 破碎 角砾 岩和棱 体 ， 其 一般 呈 闭合 型或 较窄 的裂缝 ， 且延 展 较远 ， 发育 深度 大 、 层 次 多 ， 故通 常 也具有 良好的导水性． 因此 ， 在非采动条件下 ， 断裂 面为压 性 断裂 时 的 断 层 才 具 有 隔水 性 ， 为 隔 水 断 层 ； 在采动条件下 ， 断裂面性质 由压性断裂转变为 张性断 裂 或扭 性 断 裂 时 ， 隔水 断 层 活 化 为 导 水 断 层 ． 2 ． 2 煤层 断层 的突水 条件 对于切穿煤层的小断层 ， 随着工作面推进 ， 煤 层 顶板 的垮 落 ， 底 板 的底鼓 导 致 断 层 全部 活化 ， 缩 小 了隔水关 键层 的有效 厚度 ， 当达 到突水 系数 临界 值 时 ， 引 发 突水 ． 因此 ， 对 于切 穿 煤层 的小 断层 ， 防 治突水的措施是提高断层垂 向延伸距离的预测精 度或采 取有 效 的堵水措 施． 另外 ， 断层全 部活 化后 ， 阻止了顶板岩体载荷向前方顶板岩体中转移 ， 以致 前方煤岩体 中支承压力减小 ， 支架工作阻力加大． 对于埋藏型断层， 断层 隐藏于煤层顶 、 底板岩 层 中， 与煤层 的顶 、 底板存在一定距离， 设为 。 ， 如 图 1 所示． 当 h 。 小于零时 ， 埋藏型断层变为切穿煤 层 的断层 ， 此时小 断层处于底板导水破坏带 、 顶板 垮落带 、 顶板裂缝带之中， 断层活化 ； 若断层与承压 水体间有效隔水层厚度不足以抵抗承压水体水压， 则小断层突水． 当 h 。大于零时 ， 若 。大于底板导 第 1期 李青锋等 基于隔水关键层原理 的断层 突水机 理分析 8 9 水破坏带高度 或顶板垮落带 、 裂缝带高度 ， 则应 视断层是否为隔水断层来确定 隔水关键层的有效 厚 度． 煤层 含水层 否 a ／ 图 1 埋藏 型断层示 意图 Fi g．1 Bur i e d f a ul t 按 照 隔水 关 键 层 的 概 念 ， 若 上 图断 层 是 隔水 的， 则为含隔水断层 的切穿隔水关 键层 ， 此隔水关 键层的隔水性能取决 f断层带采动活化的隔水性 能 ； 若 断层 为 导水 的 ， 则 有 效 隔 水 关 键层 厚 度 必 须 减去断层带的垂向延展高度． 2 ． 3 含 隔水 断层 的 隔水关 键层 突水 力学模 型 按 照隔水 关键 层 的含 义 ， 隔水关 键层 中 的隔水 断层应是弥合隔水的， 即可把断层上下盘看作是压 接 咬合 的． 采 动后 ， 隔水 断 层 在 采 动 、 矿 山压 力 、 地 温应力、 水应力 、 构造应力等共 同作用下产生滑移 、 张开 ， 最终导致突水． 根据断层在工作 面的位置的 不 同 ， 断层 突 水 时 隔 水 关 键 层 的边 界 条 件 是 不 同 的， 也即可把隔水关键层的结构力学模型简化成各 种边界条件的矩形薄板． 据此建立突水力学模型如 图 2所示 ， 梁 上均 布载 荷 q为含水 层 的水压 和 矿压 的综合表现 ， 梁长 L， L为工作 面基本顶初次来压 步距 或周 期来 压 步距． 图 2 断层 突水力学模 型 Fi g． 2 M e c ha ni c a l mod e l o f f a ul t wa t e r - i nr us h 由结 构力 学知 两 端嵌 固梁受 均布 载荷 水 压 、 矿压 q 作用时 ， 在 两固定端产生 的约束力 为竖向 力 和弯距． 由 弹性力 学理 论 ] 可得梁 内各 点 的应 力 分量 为 一 一 z ～ 詈 ， 一一 号 1 1 一 2 y 。 ， 1 一 等 一 ， 式 中h为含 断层 的隔水 关键 层 的厚度 ． 由式 1 可求得 隔水断层 带某 一微 单元 的最大 压为 正 ， 最 小 主应 力 ， 从 而 建 立 该 微 单 元 内 与 断层 面平行 的断 层错 动滑 痕 的力学 模型 如 图 3 ． 图 3 断层错 动滑痕力学模 型 Fi g． 3 Sl i p ma r k me c h an i c a l mo de l of f a u l t di s l oc at i o n 设 断层 带某 个微 单 元 与错 动 滑 痕 的夹 角 为 a ， 则 错动 滑痕 上 的的剪 应力 和正应 力 分别 为 r 】 s i n a一 盯 3 c o s口 ， 2 盯 一 盯1 C O S a 3 s i n ． 3 而 断层 面的 抗剪 强度 为 按 岩石 为饱 和状 态 r C 一 声 t a n ． 4 式 中 P为 断层 带裂 隙 中流体 压力 ； C 为断 层层 面 的 黏聚力 ； 为内摩擦角． 式 2 减去式 4 得剩余剪应力 r 为 r 1 s i n a C OS a t a n 一 0 “ 3 C O S a s i n a t a n 4 - pt a n 一 C ． 5 则 断层产生滑移变形的条件为 r ≥0 ， 也即断层滑 移 的条件 为 r ≥ O． 3断层活化机理分析 从 前 面的断 层 隔水性 能分 析 中可 以认 为 ， 在 采 场支承压力作用下 ， 断裂面性质由压性断裂转变为 张 性断 裂或 扭性 断裂 的过 程称 为“ 采场 断层 活化 ” ． 由图 3可以看出 当断层带最大主应力表现为拉应 力时， 断裂面性质 由压性断裂转变为张性断裂 ， 断 层活化 ； 当断层带剩余剪应力 r ≥0时， 断裂 面性 带 层 断 9 0 采矿与安全 工程学报 第 2 6 卷 质 由压性 断裂 转变 为扭 性断 裂 ， 断层 活化 ． 对 于 如 图 2所 示 含隔 水 断层 的底板 隔 水 关键 层 ， 当断层处 于工 作 面初 采初 放 地 段 ， 采 动 支 承压 力近似于零 底板卸压 ， 底板隔水关键层上方仅有 隔水关键层与煤层底板之间的 自重载荷 ， 自重载荷 与承压 含水 层 的水 压 之合力 q 0 是 断层 活化 的基 本条件 ， 在 q作用下的断层带剩余剪应力 r ≥O是 隔水 断层 活 化 的必 要 条件 ． 另外 ， 若 在 q作 用 下 的 断层错 动滑 痕上法 向正应力 由压应 力变 为 张应 力， 即使断层的断裂面性质 由压性断裂转变为张性 断裂 ， 从而使断层活化． 对 于 如 图 2所 示 的含 隔 水 断层 的 顶板 隔 水关 键 层 ， 当断层 处 于工作 面初 采初放 或周 期来压 地段 时 ， 采动支承压力为 k T H 愚为采动支承压力集中 系数 、 7是岩 石 容重 、 H 是 隔水 关键 层 上 方 岩 层厚 度 ， 即 q 一是 y H． 在 q作 用 下 的隔 水断 层 的下 半 部 受拉 ， 使断层下半部的断裂面性质由压性断裂转变 为张性断裂， 若断层上半部断层带剩余剪应力 r ≥ 0 ， 则断层上半部分沿错动滑痕错动 ， 从而使整个断 层活 化 ， 最 后在 水压作 用下 使 断层突水 ． 4 结 论 由于 断裂 构造 带 内裂 隙 比较 发 育 ， 岩 体 破 碎 ， 给承 压水 的导 升和 断裂带 的开 裂制造 了空 间 ， 在 煤 矿突水中大部分突水都与断裂构造带有关． 针对断 层 突水 ， 本 文应 用 隔 水关 键 层 原 理对 顶 、 底 板 隔 水 关键 层 中隔水 断层 的活化 突水 机理进 行分 析． 1 分析 了煤层 断层 突水 的原 因及其 采 动活 化 过程 ， 提 出“ 采 场断 层活化 ” 是 以断裂 面性 质 由压性 断 裂转变 为 张性断 裂或扭 性 断裂为标 志 ； 2 根 据 断 层 与 隔水 关 键 层 的 位置 ， 对 不 同类 型 的隔水 断层 活化 突水条 件进 行 了分 析 ， 为断层 活 化 突水机 理研 究奠 定 了基 础 ； 3 基 于隔水 关键层 的 力学 概念 建 立含 隔水 断 层 的隔水 关键 层活 化突水 力学 模 型 ， 提 出 了在 矿压 和水压共同作用下 的断层采动活化突水条件及其 突 水机理 ． 参 考文 献 [ 1 ] 尹会永 ， 魏久传 ， 李子林 ， 等．潘西煤矿断裂构造突水 机 制 探 讨 [ J ] ． 山 东 科 技 大 学 学 报 自然 科 学 版 ， 2 0 07， 2 6 1 30 33 ． YI N Hu i y o n g，W E I J i u c h u a n ，L1 Zi l i n ，e t a 1 ．A n al y s i s on wa t e r i nr u s h me c h a ni s m i n f r a c t u r e t e c t o n i c s o f P a n x i c o a l mi n e [, J ] ．J o u r n a l o f S h a n d o n g Un i v e r s i t y o f Sc i e n c e a n d Te c h no l ogy Na t ur a l Sc i e nc e E d i t i o n，20 07， 2 6 1 30 33 ． [ 2 ] 魏久传．煤层底 板岩体 断裂损 伤 与底 板突 水机理研 究I- D ] ．青 岛 山东 科技 大学 资 源与 环境工 程学 院 ， 2 00 0 13 9 - 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p r e s e r v e d mi n i n g [ J ] ． J o u r n a l o f Ch i n a Co a l S o c i e t y ，2 0 0 7， 3 2 6 5 6 卜5 6 4 ． [ 7 ] 王恩 营．煤层断层形成 的岩性结构分 析l- J ] ．煤炭学 报 ， 2 0 0 5 ， 3 0 3 3 1 9 3 2 1 ． W ANG En- yi ng ． I i t ho l o gi c s t r uc t ur e a na l ys i s i n c o a l s e a m f a u l t f o r ma t i o n [ J ] ．J o u r n a l o f C h i n a C o a l S oc i e t y，2 0 05， 3 0 3 319 - 3 21 ． [ 8 ] 王恩 营．煤炭开采中小断层 研究 的几 个问题 [ J ] ．中 国矿 业 ， 2 0 0 6， 1 5 8 6 0 6 2 ． WANG En - y i n g ． S e v e r a l p r o b l e ms o f l i t t l e f a u l t s s t u d y i n c o a l mi n i n g[ J ] ．C h i n a Mi n i n g Ma g a z i n e ， 2 0 0 6 ， 1 5 8 6 0 6 2 ． [ 9 ] 王 家龙 ．弹 性 力 学 [ M] ．北 京 高等 教 育 出版 社 ， 2 001 i 1 4 1 21 ．